風(fēng)載荷對(duì)導(dǎo)線爆破除冰響應(yīng)特性的影響

程川川，曹詠弘，杜龍飛

(中北大學(xué) 理學(xué)院，山西 太原 030051)

0 引 言

導(dǎo)線覆冰是常見的自然現(xiàn)象，當(dāng)輸電線覆冰載荷增加時(shí)，導(dǎo)線內(nèi)應(yīng)力增大引發(fā)弧垂增加，線路上會(huì)產(chǎn)生較大的張力差異，會(huì)造成輸電線破損、 斷線、 接地短路，甚至使桿塔倒塌等危害[1-3]. 因此，需要及時(shí)對(duì)覆冰導(dǎo)線除冰以避免發(fā)生重大安全事故，影響人民正常的生產(chǎn)和生活.

近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于覆冰導(dǎo)線除冰的研究主要基于熱力融冰、 機(jī)械除冰和被動(dòng)除冰. 其中，熱力融冰包括高頻高壓激勵(lì)融冰法、 短路電流融冰法和直流融冰法等[4-5]； 機(jī)械除冰包括滑輪鏟刮法、 電脈沖除冰和電磁力除冰法等[6-7]； 被動(dòng)除冰是通過在導(dǎo)線上安裝平衡錘、 抑冰環(huán)等裝置，利用風(fēng)、 溫度和重力等外界作用達(dá)到脫冰目的. 盡管以上除冰方法已經(jīng)取得了一定效果，但仍存在成本過高，不能普遍適用等問題. 爆破除冰以其成本低、 見效快、 效率高等優(yōu)點(diǎn)成為除冰的一種新思路[8].

爆破除冰通過選取合適長(zhǎng)度的導(dǎo)爆索(PETN)，將其預(yù)先鋪設(shè)在易發(fā)生冰災(zāi)的輸電線路上. 在導(dǎo)線覆冰后通過雷管引爆導(dǎo)爆索，產(chǎn)生的爆炸沖擊波使導(dǎo)爆索鋪設(shè)區(qū)域脫冰. 采用爆破除冰方法可以在冰災(zāi)發(fā)生后立即通過地面控制進(jìn)行除冰，避免了除冰作業(yè)者在惡劣天氣下高空作業(yè)的危險(xiǎn). 謝東升等[9]通過縮比爆破除冰試驗(yàn)獲得了較好的除冰效果，表明了高壓輸電線路的爆破除冰具有可靠性及可行性； 宋巍等[10]通過爆破試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究了爆破除冰機(jī)理和爆破參數(shù)影響規(guī)律，確定了導(dǎo)爆索的安裝方法； 曹詠弘等[11]利用數(shù)值模擬對(duì)輸電線路覆冰塔系爆破除冰后的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了分析，提出了單導(dǎo)線與雙分裂導(dǎo)線的脫冰方案； 史淋升[12]對(duì)50 m孤立檔輸電線路進(jìn)行了爆破除冰試驗(yàn)，并與自然脫冰進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)爆破除冰時(shí)輸電線跳躍幅值與動(dòng)張力幅值均大于自然脫冰.

覆冰會(huì)使導(dǎo)線的迎風(fēng)面積增大，在風(fēng)載荷作用下覆冰導(dǎo)線會(huì)出現(xiàn)大幅度低頻振動(dòng)現(xiàn)象，當(dāng)風(fēng)力較大時(shí)，就會(huì)威脅到輸電線路安全，因此，對(duì)風(fēng)載荷作用下覆冰導(dǎo)線進(jìn)行爆破除冰十分必要. 已有的爆破除冰研究均沒有考慮風(fēng)載荷的影響，與實(shí)際工程存在一定的差異. 本文通過ABAQUS有限元軟件對(duì)在風(fēng)載荷和爆炸沖擊載荷共同作用下試驗(yàn)輸電線路中點(diǎn)位移進(jìn)行模擬驗(yàn)證，進(jìn)一步對(duì)重冰區(qū)覆冰導(dǎo)線爆破除冰的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行仿真分析，討論風(fēng)速和爆破量對(duì)爆破除冰時(shí)的導(dǎo)線跳躍高度和動(dòng)張力峰值的影響，得到不同條件下輸電線路的動(dòng)態(tài)響應(yīng)規(guī)律，為實(shí)際工程應(yīng)用提供參考.

1 試驗(yàn)概況

如圖1 所示，本試驗(yàn)線路為山西省忻州市220 kV平鳳線39#～40#檔段，屬于嚴(yán)重結(jié)冰區(qū). 輸電線路型號(hào)為L(zhǎng)GJ-300/40，檔距約104 m，導(dǎo)線具體參數(shù)如表1 所示. 試驗(yàn)過程中，如圖2 所示的位移傳感器通過鋼絲細(xì)繩與輸電線路中點(diǎn)進(jìn)行連接. 其中，豎直位移傳感器垂直于地面，斜拉位移傳感器與地面成45°，利用兩個(gè)位移傳感器得到導(dǎo)線的跳躍高度和橫向擺幅.

圖1 試驗(yàn)覆冰線路及傳感器安裝方式

表1 導(dǎo)線參數(shù)

圖2 位移傳感器

本試驗(yàn)對(duì)3根導(dǎo)線進(jìn)行爆破除冰測(cè)試，由文獻(xiàn)[11]可知，對(duì)導(dǎo)線進(jìn)行端部脫冰可以降低導(dǎo)線的跳躍高度. 試驗(yàn)中，在導(dǎo)線A和導(dǎo)線C兩端各鋪設(shè)20 m長(zhǎng)的導(dǎo)爆索，導(dǎo)線B靠近耐張塔一段鋪設(shè)20 m長(zhǎng)的導(dǎo)爆索，5段導(dǎo)爆索鋪設(shè)位置俯視示意圖如圖3 所示. 為了研究延時(shí)爆破和不同爆破量對(duì)導(dǎo)線跳躍響應(yīng)的影響，試驗(yàn)對(duì)5段導(dǎo)爆索進(jìn)行3次起爆，分別為：導(dǎo)線B①區(qū)域段導(dǎo)爆索爆破； 導(dǎo)線A②、 ④區(qū)域?qū)П髌鸨?導(dǎo)線C③、 ⑤區(qū)域段導(dǎo)爆索爆破，但采用延時(shí)爆破使得③區(qū)域段導(dǎo)爆索起爆時(shí)間早于⑤區(qū)域段導(dǎo)爆索0.5 s. 具體工況如表2 所示.

圖3 導(dǎo)爆索鋪設(shè)示意圖

表2 試驗(yàn)工況

圖2 中的位移傳感器型號(hào)為EY503-5000系列，量程為5 000 mm,傳感器精度為0.5% F.S. 試驗(yàn)中所用導(dǎo)爆索(簡(jiǎn)稱為PETN)，其藥芯為RDX，是用以傳遞爆轟波的索狀火工品，導(dǎo)爆索起爆采用MS-3段毫秒延期雷管，單發(fā)雷管延期時(shí)間長(zhǎng)度約為50 ms，采用多發(fā)雷管串聯(lián)可以提供不同時(shí)間間隔的起爆方式. 在輸電線路覆冰之前，利用夾具將導(dǎo)爆索等間距地鋪設(shè)在輸電線下方，待輸電線覆冰后，通過雷管進(jìn)行引爆，利用導(dǎo)爆索作用在覆冰導(dǎo)線上的爆炸沖擊波達(dá)到輸電線路除冰目的，提取位移傳感器數(shù)據(jù)計(jì)算得到導(dǎo)線的跳躍高度和橫向擺幅.

2 有限元模擬

為了對(duì)在風(fēng)載荷作用下導(dǎo)線爆破除冰中點(diǎn)的位移進(jìn)行比較驗(yàn)證，建立了試驗(yàn)輸電線路有限元模型. 基于有限元模型進(jìn)一步模擬分析風(fēng)速、 爆破量對(duì)導(dǎo)線爆破除冰時(shí)的響應(yīng)特性.

2.1 幾何模型

通過ABAQUS對(duì)試驗(yàn)塔線體系進(jìn)行仿真建模，輸電塔主材、 絕緣子采用梁?jiǎn)卧?，單元類型為B31單元，輸電塔輔材選用桿單元(T3D2)，輸電塔與地基的連接點(diǎn)完全固定. 覆冰導(dǎo)線采用桁架單元，單元類型選擇T3D2H混合單元，最外側(cè)輸電線兩端固定平動(dòng)自由度. 試驗(yàn)覆冰類型為圓形覆冰，其覆冰厚度并不均勻，根據(jù)覆冰前后輸電線中點(diǎn)弧垂確定覆冰厚度，將其等效為10 mm雨凇覆冰，采用等效密度法模擬覆冰對(duì)導(dǎo)線的作用. 最終建立起來的塔線體系如圖4 所示.

圖4 塔線體系有限元模型

2.2 風(fēng)載荷

由風(fēng)速計(jì)測(cè)得現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)速約在9 m/s～12 m/s之間，取10 m/s風(fēng)速為仿真風(fēng)速. 試驗(yàn)覆冰導(dǎo)線為圓形截面覆冰，利用FLUENT軟件對(duì)不同厚度覆冰導(dǎo)線進(jìn)行風(fēng)場(chǎng)分析，得到了表3中不同覆冰厚度導(dǎo)線的阻力系數(shù)Cd和升力系數(shù)Cl.利用表3 中的氣動(dòng)力參數(shù)通過式(1)和式(2)可以獲取作用在覆冰導(dǎo)線上的氣動(dòng)力[13],結(jié)果如表4所示.在有限元模擬中，通過設(shè)置動(dòng)力隱式分析步，以集中力的形式將風(fēng)載荷施加在導(dǎo)線單元節(jié)點(diǎn)上.

表3 不同覆冰厚度導(dǎo)線的氣動(dòng)力參數(shù)

表4 不同覆冰厚度導(dǎo)線的氣動(dòng)力

(1)

(2)

式中：Fl為單位長(zhǎng)度覆冰導(dǎo)線受到的垂直升力；Fd為單位長(zhǎng)度覆冰導(dǎo)線受到的橫向阻力；ρ為空氣密度，取1.225 kg/m3；U為風(fēng)速；Ac為單位長(zhǎng)度覆冰導(dǎo)線的迎風(fēng)面積.

2.3 爆炸沖擊載荷

試驗(yàn)中采用的導(dǎo)爆索，其外徑為5 mm、 等效TNT密度為11 g/m. 導(dǎo)線與導(dǎo)爆索間距為50 mm. 為了獲取爆破沖擊載荷，本文通過AUTODYN動(dòng)力學(xué)仿真軟件對(duì)導(dǎo)爆索爆炸進(jìn)行數(shù)值模擬. 其中，炸藥和空氣均采用歐拉算法，空氣邊界條件采用流出邊界. 在距炸藥50 mm處設(shè)置觀測(cè)點(diǎn),得到作用于導(dǎo)線的爆炸沖擊波空氣壓力時(shí)間歷程曲線，如圖5 所示.

圖5 中，沖擊波壓力在極短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到峰值，然后迅速衰減. 整個(gè)波形出現(xiàn)了兩個(gè)峰值，但由于第二個(gè)峰值較小，在模擬過程中將沖擊波簡(jiǎn)化為三角波. 在空氣場(chǎng)中距炸藥50 mm處的壓力峰值約為3.6 MPa，計(jì)算得到單位長(zhǎng)度導(dǎo)線上爆炸沖擊載荷的峰值約為80 kN/m，將其與風(fēng)載荷作用在同一分析步中，以完成風(fēng)載荷和爆炸沖擊載荷的同時(shí)施加.

2.4 覆冰脫落準(zhǔn)則

輸電導(dǎo)線覆冰脫落準(zhǔn)則是研究導(dǎo)線除冰模擬的關(guān)鍵問題之一，在除冰模擬中，需要一個(gè)脫冰判定準(zhǔn)則，使模擬中的線路脫冰的響應(yīng)與現(xiàn)實(shí)更為符合. 常見的脫落準(zhǔn)則有剪力破壞準(zhǔn)則、 最大拉應(yīng)力破壞準(zhǔn)則、 剪切失效準(zhǔn)則和加速度脫落準(zhǔn)則等. 由于加速度脫落準(zhǔn)則考慮了覆冰與導(dǎo)線之間的粘結(jié)強(qiáng)度，與實(shí)際情況接近，所以，本文通過式(3)的加速度脫落準(zhǔn)則[14]來判定仿真中的覆冰是否脫落.

爆破除冰有限元模擬中，在風(fēng)載荷和爆破沖擊載荷的作用下，當(dāng)覆冰導(dǎo)線的加速度達(dá)到計(jì)算閾值時(shí)，通過編寫的ABAQUS場(chǎng)變量子程序USDFLD將此段覆冰導(dǎo)線的質(zhì)量密度改為無覆冰的導(dǎo)線質(zhì)量密度，從而達(dá)到判斷覆冰脫落目的[15].

(3)

式中：D和Dc分別為覆冰導(dǎo)線外徑和無覆冰導(dǎo)線外徑；τa為覆冰與導(dǎo)線之間的粘結(jié)強(qiáng)度；τc為覆冰之間的粘結(jié)強(qiáng)度；τa和τc分別取0.2 MPa和 0.03 MPa[16]；ρi為覆冰的密度，取0.92 g/cm3；g為重力加速度，取9.8 m/s2.

3 結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)爆破除冰試驗(yàn)過程中導(dǎo)線中心測(cè)點(diǎn)的位移進(jìn)行分析，如圖6～圖8 所示給出了導(dǎo)線中點(diǎn)位移時(shí)間歷程曲線.

(a) 跳躍高度

(b) 橫向擺幅

(a) 跳躍高度

(b) 橫向擺幅

(a) 跳躍高度

(b) 橫向擺幅

爆破除冰中，導(dǎo)線在風(fēng)載荷和爆炸沖擊載荷共同作用下，發(fā)生跳躍現(xiàn)象. 由圖6～圖7 可知，爆破除冰時(shí)爆破量越高，導(dǎo)線跳躍高度越大； 同為40%爆破量，由于工況2為兩端導(dǎo)爆索同時(shí)爆破，而工況3為兩端延時(shí)爆破，兩者跳躍高度產(chǎn)生差異. 這是由于在工況3中，當(dāng)?shù)?段導(dǎo)爆索延時(shí)0.5 s爆炸時(shí)，右端的爆炸作用早已結(jié)束，由兩端產(chǎn)生的振動(dòng)波在導(dǎo)線中間區(qū)域形成互相干擾，導(dǎo)致工況3的第1個(gè)周期內(nèi)出現(xiàn)2個(gè)波峰，從而降低了導(dǎo)線脫冰時(shí)的跳躍高度. 工況3的跳躍高度為0.115 m，工況2的跳躍高度為0.187 m，兩者相差38.5%，這說明對(duì)覆冰導(dǎo)線進(jìn)行爆破除冰時(shí)，導(dǎo)爆索延時(shí)爆破可以顯著降低導(dǎo)線的跳躍高度.

由圖6～圖8 可知，導(dǎo)線的跳躍高度與橫向擺幅峰值出現(xiàn)在第1個(gè)振蕩周期，導(dǎo)線的動(dòng)能與勢(shì)能相互轉(zhuǎn)化，呈現(xiàn)出衰減周期. 由試驗(yàn)測(cè)試與數(shù)值仿真結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，工況1中，試驗(yàn)與仿真的跳躍高度峰值相差13%，橫向擺幅峰值相差14%； 工況2中，兩者的跳躍高度峰值相差11%，橫向擺幅峰值相差26%； 工況3中，兩者跳躍高度峰值相差5%，橫向擺幅峰值相差7%. 試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與數(shù)值仿真結(jié)果的差異主要來源于模擬中采用恒定風(fēng)載荷和對(duì)導(dǎo)線覆冰均勻性的簡(jiǎn)化. 試驗(yàn)與仿真兩者雖然峰值有出入，但變化規(guī)律相似，驗(yàn)證了該有限元模型在爆破除冰模擬中的有效性.

3.2 風(fēng)速對(duì)導(dǎo)線爆破除冰響應(yīng)的影響

重冰區(qū)覆冰導(dǎo)線在風(fēng)載荷作用下易出現(xiàn)大幅舞動(dòng)現(xiàn)象，導(dǎo)致導(dǎo)線跳躍高度和動(dòng)張力增大，對(duì)輸電塔線運(yùn)行造成安全隱患. 因此，為了研究在風(fēng)載荷作用下對(duì)重冰區(qū)覆冰導(dǎo)線進(jìn)行爆破除冰的可行性，對(duì)不同風(fēng)速下的導(dǎo)線爆破除冰進(jìn)行模擬分析.

3.2.1 風(fēng)速對(duì)導(dǎo)線爆破除冰時(shí)跳躍高度的影響

基于建立的試驗(yàn)線路有限元模型，覆冰設(shè)置為20 mm雨凇覆冰，脫冰方式選取端部脫冰方法，對(duì)不同風(fēng)速下導(dǎo)線爆破除冰跳躍高度進(jìn)行分析.

圖9 為不同風(fēng)速下導(dǎo)線爆破除冰跳躍高度峰值圖，由圖可知，在同一爆破量條件下，考慮風(fēng)荷載的導(dǎo)線脫冰跳躍高度峰值均大于無風(fēng)條件下的跳躍高度峰值，且導(dǎo)線的脫冰跳躍高度峰值隨風(fēng)速以及爆破量的增大而增大. 根據(jù)《電力工程高壓送電線路設(shè)計(jì)手冊(cè)》規(guī)定，本試驗(yàn)線路中導(dǎo)線與地線間的距離應(yīng)大于2.248 m，兩側(cè)導(dǎo)線與地線的初始間距為4.7m，故在20 m/s風(fēng)速內(nèi)爆破除冰導(dǎo)線的跳躍高度均在安全規(guī)范內(nèi). 值得注意的是，當(dāng)風(fēng)速超過17 m/s時(shí)，爆破量存在一個(gè)臨界值，爆破量小于臨界值時(shí)，導(dǎo)線跳躍高度峰值基本保持不變，當(dāng)爆破量大于臨界值時(shí)，導(dǎo)線跳躍高度峰值隨爆破量增長(zhǎng)呈現(xiàn)出類似線性增長(zhǎng)的規(guī)律. 不同風(fēng)速下，臨界爆破量隨風(fēng)速的增大而增大. 這是由于在無爆破載荷條件下，導(dǎo)線受到高風(fēng)速的作用就會(huì)產(chǎn)生較大的橫向擺幅，降低了爆破量對(duì)導(dǎo)線跳躍高度峰值的影響，結(jié)果如圖10 所示.

圖9 不同風(fēng)速下導(dǎo)線爆破除冰跳躍高度的峰值

圖10 不同風(fēng)速下導(dǎo)線的橫向擺幅(無爆破除冰)

3.2.2 風(fēng)速對(duì)導(dǎo)線爆破除冰時(shí)動(dòng)張力的影響

為了進(jìn)一步分析爆破除冰導(dǎo)線的安全性，對(duì)導(dǎo)線動(dòng)張力峰值進(jìn)行討論. 由表1 可知，導(dǎo)線的計(jì)算拉斷力為92 220 N,考慮安全系數(shù)為2.5時(shí)，導(dǎo)線的許用運(yùn)行張力約為36 888 N.

圖11 給出了僅受風(fēng)載荷作用下覆冰導(dǎo)線的動(dòng)張力峰值，由圖可知，當(dāng)風(fēng)速超過19 m/s，導(dǎo)線的動(dòng)張力峰值大于許用運(yùn)行張力，已經(jīng)存在安全隱患. 圖12 為不同風(fēng)速下導(dǎo)線爆破除冰動(dòng)張力峰值，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到19 m/s，對(duì)導(dǎo)線進(jìn)行爆破除冰時(shí)，導(dǎo)線動(dòng)張力峰值均大于許用運(yùn)行張力，因此不適合進(jìn)行爆破除冰工作.

圖11 不同風(fēng)速下導(dǎo)線動(dòng)張力峰值(無爆破除冰)

圖12 不同風(fēng)速下導(dǎo)線爆破除冰動(dòng)張力峰值

表5 為不同風(fēng)速下覆冰導(dǎo)線允許的最大爆破量，當(dāng)風(fēng)速低于19 m/s時(shí)，在許用運(yùn)行張力范圍內(nèi)，可以采取適當(dāng)爆破量的爆破除冰方案. 在安全規(guī)范內(nèi)爆破除冰，爆破量隨風(fēng)速的增大而減小.

表5 不同風(fēng)速下覆冰導(dǎo)線最大爆破量

4 結(jié) 論

本文通過對(duì)實(shí)際線路進(jìn)行爆破除冰試驗(yàn)，考慮了風(fēng)載荷對(duì)輸電線路爆破除冰的影響，利用數(shù)值模擬軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析驗(yàn)證. 進(jìn)一步地，利用模型對(duì)不同風(fēng)速下重冰區(qū)導(dǎo)線的爆破除冰進(jìn)行了模擬分析，得到以下結(jié)論：

1) 在風(fēng)載荷作用下的爆破除冰試驗(yàn)中，非延時(shí)爆破條件下，爆破量越高，導(dǎo)線的跳躍高度越大； 相同爆破量下，對(duì)導(dǎo)線兩端導(dǎo)爆索進(jìn)行延時(shí)爆破，可以顯著降低導(dǎo)線跳躍高度.

2) 在一定風(fēng)速條件下，對(duì)覆冰導(dǎo)線進(jìn)行爆破除冰，導(dǎo)線跳躍高度隨風(fēng)速以及爆破量的增大而增大； 當(dāng)風(fēng)速變大時(shí)，爆破量存在一個(gè)臨界值，爆破量小于臨界值時(shí)，導(dǎo)線跳躍高度基本保持不變，當(dāng)爆破量大于臨界值時(shí)，導(dǎo)線跳躍高度隨爆破量的增長(zhǎng)呈現(xiàn)出類似線性增長(zhǎng)規(guī)律.

3) 風(fēng)速影響覆冰導(dǎo)線爆破除冰時(shí)的爆破量，風(fēng)速越大，安全規(guī)范內(nèi)允許的爆破量越小. 因此，在實(shí)際爆破除冰的各種工況中應(yīng)考慮風(fēng)速對(duì)爆破量的影響，避免導(dǎo)線的動(dòng)張力峰值超出許用運(yùn)行張力，確保輸電線路安全運(yùn)行.